多孔与核壳结构锡基负极材料的化学沉积制备及储锂行为研究

金属锡作为锂离子电池负极材料具有很高的理论能量密度，但锡与锂金属化过程中巨大的体积膨胀效应使其循环稳定性差，从而难以商业化。大量研究通过改变锡基材料的颗粒大小、结构和形貌来提高锡的循环稳定性，空心核壳结构和多孔结构在这方面显示出了很大的潜力。本课题拟以具有特殊形貌的材料为载体，如TiO2纳米管阵列薄膜、TiO2纳米管粉体、碳纳米管、多孔碳等，独创性地通过化学包覆锡和或锡合金的方法制备空心核壳结构和多孔结构的锡基负极材料，此类复合材料融合了载体材料良好的循环稳定性和锡的高比能量的特点。前期工作显示出此方法具有很强的学术价值和应用前景。本项目将进一步通过构筑和可控制备多孔和核壳结构新型锡基负极材料，探索多组分高性能锂离子电池负极材料制备理论和方法。并通过在微观层次和分子水平表征电极材料的界面过程和储锂机制，为高比能量稳定性好的负极材料的发展提供应用基础。

锂离子电池作为重要的能量储存与转换器件已成为当今便携式电子产品可再充式电源的主要选择，并在电动汽车、智能电网及航空航天等领域实现一定范围的推广及应用。但是，目前商品化碳负极材料比容量低、循环稳定性能差、对电解液敏感及安全性欠佳。因此，研发具有更高比容量、更长循环寿命和更好安全性的新型锂离子电池负极材料具有重要的意义和价值。项目通过四年的研究，设计并合成了多种锂离子电池负极材料。包括：（1）制备了TiO2纳米线，再化学镀Sn，获得Sn/TiO2复合材料，首圈可逆比容量1610 mA h/cm3， 300圈后保持在1006 mA h/cm3，电流从0.1 C增加到1.6 C，容量保持率62.2%。（2）在TiO2纳米线表面磁控溅射Si，制得新型Si/TiO2复合材料，TiO2纳米线阵列的框架结构能缓冲Si的体积膨胀，缓解循环过程中的机械应力，改善循环稳定性。（3）采用阳极氧化法合成TiO2纳米管，利用原子层沉积技术在TiO2纳米管内沉积ZnO，制得ZnO@TiO2核壳结构新型材料，特殊的三维核壳结构有利于缓冲ZnO的体积变化，加快锂离子扩散。（4）合成了具有大比表面积的碳包覆多孔TiO2纳米颗粒，均匀包覆的碳层不仅可提高材料的导电性，抑制纳米颗粒的团聚，同时缓解材料结构不稳定。（5）研制了一系列具有高界面密度、大比表面积碳包覆的TiO2-SiO2纳米颗粒，研究了不同SiO2比例对电化学性能的影响。（6）合成了具有大比表面积的Mo6+掺杂TiO2纳米颗粒，通过Mo6+掺杂提高TiO2材料的导电性，Mo6+与Li的电化学反应增大电极的理论比容量，缩小的颗粒尺寸不仅能够缩短Li传输距离，提高界面嵌锂容量。（7）合成了Fe3O4空心球，特殊的空心纳米结构缩短锂离子及电子的传输途径，增大活性物质与电解液的接触面积，缓解充放电过程中巨大的体积变化。（8）设计并可控制备了一系列不同形貌与结构的高比容量Fe2O3负极材料：介孔Fe2O3微球，多孔Fe2O3空心花、二级多孔Fe2O3纳米颗粒以及Fe2O3/CNTs复合材料，这些材料具有很高的比容量和优异的循环性能与倍率性能。（9）多孔Co3O4负极材料。（10）发展极片热处理方法改善过渡金属氧化物负极材料的首次库伦效率和循环性能。此外，在新型锂电池体系锂硫电池与锂空气电池进行研究。研究结果发表SCI论文19篇，申请发明专利1项。